3 時間同步器設計
3.1 硬件電路設計
3.1.1 供電部分電路
        同步器內部設計中UM220-T、STM32、RTC供電電壓為3.3V，FPGA的IO供電電壓為3.3V，FPGA內核以及PLL供電電壓為1.2V，高速DA運放供電為±5V，機上電源提供28V供電，故需要將28V電壓轉換為各個部分需要的電壓， 設計中采用北京新雷能科技有限公司生產的DPB16-24D5-5EB電源，它具有18~36V的寬范圍輸入電壓，輸出±5V。通過LM1085-3.3的LDO芯片，將5V電壓降壓得到3.3V電壓。此芯片最大電流支持到3A。再通過AMS1117-1.2獲取1.2V電壓，由于1.2V電壓是提供給FPGA內核的工作電壓，以及FPGA內部PLL的工作電壓，1.2V電壓的純凈程度要求比較高，需采用鉭電容濾波，設計中電源輸入部分還加入了SS14二極管反接保護電路。

圖2 電源供電部分設計電路

3.1.2 FPGA編碼部分電路
        FPGA使用EP2C5T144I8主要實現IRIG-B時間同步碼的編碼工作，STM32將解碼到的時間信息編碼成天、時、分、秒的8421碼，在數據有效脈沖的使能下將數據送入FPGA，FPGA精確檢測秒脈沖(PPS)的上升沿，在秒脈沖的上升沿開始時開始一整秒B碼時間數據的發送。本設計FPGA將數據編碼輸出的數據為12位的并行數字信號，需要使用DA信號將并行的數字信號轉換成模擬信號，本設計中我們選用美信公司的MAX7541，它具有0.6us的轉換時間和12位的分辨率，MAX7541輸出數據經運OPA690放信號調理和阻抗變換后產生標準的IRIG-B(AC)碼。
IRIG-B(AC)碼實際上是用IRIG-B(DC)碼對標準正弦波載頻進行幅度調制，標準正弦波載頻的頻率與碼元速率嚴格相關，一般為碼元速率的十倍。B碼的標準正弦波載頻頻率為1KHz。同時，其正交過零點與所調制格式碼元的前沿相符合，標準的調制比為10:3。
       正弦波的產生是采用FPGA來產生的，利用Quartus自帶的LMP模塊來進行ROM建模，存儲了256個點的SIN函數的波形值，首先計算256個SIN函數的值。由于點數比較多，我們利用MATLAB工具產生一個完整周期的SIN函數的256個點的值。由于FPGA處理整數相對簡單因此需要對SIN函數值進行整數化。

3.1.3 STM32編解碼顯示電路
       STM32解碼UM220-T的輸出的NMEA-0183語句，從中解算出當前的UTC時間，將其編碼后送入FPGA，STM32通過I2C接口與RTC時鐘芯片SD2400通信，提供當無法接收衛星時間時的參考時間輸出。
OLED顯示技術作為下一代顯示，由于OLED顯示屏為全固態器件，因此具有高低溫范圍寬，抗震特性好的特點。本設計中采用的并行接口驅動OLED顯示，完成時間、定位狀態的顯示功能。STM32接口電路如下圖所示：

圖4 OLED顯示驅動電路

3.2 軟件程序設計

3.2.1 NMEA-0183解碼
       NMEA 0183 是美國國家海洋電子協會(National Marine Electronics Association)為海用電子設備制定的標準格式.目前業已成了 GPS 導航設備統一的 RTCM(Radio Technical Commission for Maritime services)標準協議。
NMEA-0183 常用命令如下表所示：

       每條語句都有固定的格式，輸出的各個參數之間使用逗號隔開。UM220-T北斗衛星接收模塊也使用這些標準語句進行導航數據的輸出。本設計主要用于時間同步，所以僅需要對數據中的時間信息解碼，因此僅需要對GPRMC語句中的定位狀態進行解碼。
STM32F103RCT6先在內存中開辟兩塊緩沖區A和B， 使用中斷模式接收到UM220-T發送的數據，當接收到$符號表示數據幀開始，接下來將數據存入在內存中開辟的數據緩沖區A中，當接收到回車換行符表示一條數據幀接收完成，置A區數據完成標志位，等待下一幀數據到來時采用同樣的方式存入數據緩沖區B。
       當主程序檢測到緩沖區接收完成標志位置位時，從緩沖區中取出數據完成數據解碼[6]，解算出當前UTC時間，清空數據緩沖區和標志位，將時間信息編碼成串行數據送入FPGA中，編碼時需要注意閏年B碼天數的處理，主程序實現的流程圖如下圖：

圖5 NMEA-0183數據解碼程序流程圖